Лекция 4. Ускоритель ТЕМП - 4М. Часть 1. Физические принципы генерации МИП

1. Лекция 4. Ускоритель ТЕМП-4М. Часть 1. • Физические принципы генерации МИП • Конструкция ускорителя ТЕМП-4М • Электрическая схема и конструкция ГИН • Режим зарядки ДФЛ • Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП – 4М • Пояс Роговского • Низкоиндуктивный шунт • Комбинированный делитель напряжения • Емкостной делитель напряжения • Коллимированный цилиндр Фарадея • Ослабители (делители) измеряемого напряжения • http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/a/AIPUSH

2. Low Power Accumulation High Power Outputs Primary energy source Energy storage Pulse forming section Load ns s D.C. Charge Pulsed Power Pulsed Discharge 1. Физические принципы генерации МИП

3. Функциональная схема ускорителей серии ТЕМП: 1 – генератор импульсного напряжения; 2 – двойная формирующая линия; 3 - катод; 4 – анод.

4. 2. Конструкция ускорителя ТЕМП-4М A.Pushkarev, Yu. Isakova A gigawatt power pulsed ion beam generator for industrial application // Surface and Coatings Technology (2012) DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.094 • Параметры ускорителя ТЕМП-4М: • ускоряющее напряжение 250 – 300 кВ; • длительность ускоряющего импульса 150 нс; • плотность ионного тока на мишени 50 – 250 А/см2; • частота импульсов 5 - 10 имп./мин. • Beam composition: ions of carbon (C+, C2+, C3+) and protons, 4

5. Схема ускорителя: 1, 4 – газовые разрядники; 2, 5 – делители напряжения; 3 – ДФЛ; 6 – пояс Роговского;7 – магнитоизолированный диод; 8 – акуумная камера; 9 – мишенный узел; 10 – вакуумная система; 11- генератор импульсных напряжений (ГИН); 12 – система газоподачи и водоподготовки

6. 6

7. 3. Электрическая схема и конструкция ГИН

8. Тригатрон (управляемый разрядник) первой ступени ГИН

9. Принцип работы ГИН Зарядка ГИНа Срабатывание ГИНа

10. Осциллограмма напряжения зарядки ГИН U Осциллограммы напряжения и тока на выходе ГИН (вход ДФЛ) I

11. Зарядка ГИН Сэ = 8С

12. Напряжение зарядки где τ = Rз·Сэ Ток заряда емкости С равен: при С = 7·47·10-9 = 3.29·10-7 Ф и R = 750 кОм τ = Rз·Сэ = 0.25 сек при U0 = 30 кВ

13. Потери энергии в зарядном сопротивлении

14. Разрядка конденсаторов ступени ГИН в течение зарядки ДФЛ τ = 1/2·RC = 0.5·470·2·47·10-9 = 2.2·10-5 сек = 22 мкс

15. После зарядки конденсаторов запуск генератора производится после срабатывания первого разрядника (тригатрона). После срабатывания тригатрона перенапряжение на разрядниках заставляет срабатывать все остальные разрядники практически одновременно, чем и производится последовательное соединение заряженных конденсаторов.

16. Режим короткого замыкания ГИН ГИН В режиме КЗ период колебаний R где Суд = С0/7 = 6.7 нФ Отсюда индуктивность ГИНа

17. индуктивность 4. Режимы зарядки ДФЛ. Одноимпульсный режим работы ДФЛ U I 17

18. 18

19. Двухимпульсный режим работы ДФЛ Схема зарядки ДФЛ в двухимпульсном режиме.

20. 5. Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП – 4М Диодная камера ускорителя • Емкостной делитель напряжения • Пояса Роговского ГИНа, ДФЛ и диода • Цилиндр Фарадея • Комбинированный делитель напряжения • Резистивный делитель напряжения Yulia I. Isakova. Diagnostic Equipment for the TEMP-4M Generator of High-current Pulsed Ion Beams // Journal of the Korean Physical Society, Vol. 59, No. 6, December 2011, pp. 3531-3535 20

21. 6. Пояс Роговского Пояс Роговского используют для измерения импульсных токов в проводниках и в пучках заряженных частиц. Пояс Роговского представляет собой длинный замкнутый соленоид произвольной формы с равномерно намотанной обмоткой (тороидальная катушка). Принцип его работы основан на регистрации магнитного поля, создаваемого измеряемым током I0(t).

22. I0

23. Эквивалентная схема пояса Роговского. При выполнении условия ωRнС << 1 влиянием паразитной межвитковой емкости обмотки ПР можно пренебречь. Тогда из второго уравнения Кирхгофа изменение тока в нагрузке равно: (1) Iпр – регистрируемый ток I0 – исследуемый ток 23

24. Согласно закону электромагнитной индукции, для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, электродвижущая сила равна: где N — число витков, Ф — магнитный поток через один виток. Поток магнитной индукции равен произведению магнитной индукции В на величину площадки S, перпендикулярной направлению поля: Ф=BS. Магнитная индукция В на расстоянии r от бесконечно длинного прямолинейного проводника с током определяется выражением (закон Био-Совара) I — величина тока, протекающего по проводнику. Для поясаРоговского диаметром Dи диаметром витка обмотки d: где I0 – измеряемыйток.

25. Для поясаРоговского диаметром Dи диаметром витка обмотки d: Формула для расчета индуктивности тороидальной катушки [Калантаров] где d – диаметр витка обмотки, D–диаметр пояса Роговского, N– количество витков. Тогда электродвижущая сила в поясе Роговского равна:

26. (1) (2) При условии Из (2) получим (3) Для импульса тока с линейно растущим током где τ – длительность импульса. Величина постоянной времени пояса Роговского  = 0 Индуктивность обмотки ПР равна где S- площадь сечения обмотки, l- длина сердечника, μ – магнитная проницаемость сердечника. Этот режим работы ПР называется режимом трансформатора тока. 26

27. (1) При обратном соотношении =0 Реализуется режим контура ударного возбуждения и из уравнения (1): В этом случае измеряемый ток равен: 27

28. Величина постоянной времени пояса Роговского значительно больше длительности регистрируемого импульса тока (100 нс), что обеспечивает работу ПР в режиме трансформатора тока без искажения формы импульса тока в нагрузке.

29. 29

30. Пояс Роговского с обратным витком.

31. Внешний вид пояса Роговского Осциллограммы тока пояса Роговского и тока, регистрируемого шунтом Пояс Роговского с обратным витком Калибровка пояса Роговского ГИН Схема калибровки пояса Роговского: 1 – низкоиндуктивный шунт, 2 – пояс Роговского. 31

32. К осциллографу U = I*Rш 7. Низкоиндуктивный шунт Rш = 0,0485 Ом

33. 8. Комбинированный делитель напряжения

34. Калибровка делителя ДФЛ 34

35. Осциллограммы напряжения на входе и выходе делителя ДФЛ К = 1050 ± 1%

36. С1 С2 9. Емкостной делитель напряжения К= C2/C1

37. Эквивалентная схема делителя. Полная эквивалентная схема делителя напряжения: C1, С2 - емкость электрода делителя на потенциальный диск и на корпус камеры соответственно, R – волновое сопротивление кабеля. 37

38. Сопротивлением R в параллельной цепи можно пренебречь при условии Длительность импульса составляет 100 нс, тогда минимальная частота спектра сигнала составляет 107 Гц. 38

39. Дифференциальный делитель напряжения Длительность фронта импульса напряжения не превышает 5 нс, поэтому максимальная частота гармоник равна 2·108 Гц. При реактивном сопротивлении емкости С2, превышающем волновое сопротивление кабеля более чем в 10 раз, влиянием емкости дифференциального делителя напряжения можно пренебречь. Это выполняется при Исакова Ю.И., Пушкарев А.И., Холодная Г.Е. Дифференциальный высоковольтный делитель напряжения // Приборы и техника эксперимента, 2011, № 2, с. 39–43. 39

41. Вывод соотношения для расчета напряжения Сигнал с делителя напряжения, регистрируемый осциллографом, равен: UR(t) = i(t)·R, где ток в цепи делителя i(t) можно записать в виде: где Uc – напряжение на емкости С. Тогда напряжение на выходе делителя Напряжение на емкости делителя равно UC = U(t) – UR(t). Тогда из соотношения (1) получим: После преобразования: Или 41

42. При очень большой емкости дифференциального делителя на потенциальный электрод катодного узла 1/RC << 1 и из соотношения (2) получим U(t) = UR(t). В противоположном случае, при выполнении условия: Из (2) получим соотношение, связывающее измеряемое напряжение с величиной регистрируемого напряжения на выходе дифференциального делителя: Коэффициент ослабления дифференциального делителя равен K = 1/RC. 42

43. Исследование погрешности измерения формы импульса Осциллограммы напряжения на выходе дифференциального (1) и емкостного делителя напряжения (2). Кривая 3 - напряжение, рассчитанное по показаниям дифференциального делителя. 43

44. П U П П Изменение напряжения, приложенного к катоду, и параметра П в течение генерации электронного пучка.

45. 10. Коллимированный цилиндр Фарадея 1–потенциальный электрод диода; 2 – заземленный электрод; 3 – колимированный цилиндр Фарадея; 4– пояс Роговского. Осциллограммы напряжения, плотности ионного тока и полного тока

46. Электронный пучок К осциллографу Цилиндр Фарадея Ie = U/Rцф U Rцф = 0,0485 Ом

47. Vacuum (P<10-5 Torr) Plasma

48. Измерение плотности скомпенсированного тока МИП Для этой цели мы использовали цилиндр Фарадея без магнитной отсечки (ЦФО). Схема измерения и конструкция ЦФ без отсечки электронов. 48

49. Осциллограммы ускоряющего напряжения, второй импульс (4), плотности ионного (5) и компенсированного тока МИП (6).

50. S ионы + электроны B N B е 10.1. Коллимированный цилиндр Фарадея с магнитной отсечкой электронов К осциллографу ионы + электроны